秦嶺北麓陸地生態系統水源涵養功能的空間格局

范亞寧, 劉 康, 陳姍姍, 袁家根

(西北大學 城市與環境學院, 陜西 西安 710127)

秦嶺北麓陸地生態系統水源涵養功能的空間格局

范亞寧, 劉 康, 陳姍姍, 袁家根

(西北大學 城市與環境學院, 陜西 西安 710127)

[目的] 對秦嶺北麓陸地生態系統水源涵養功能空間格局進行分析，為該地區的水資源空間規劃與管理，均衡各流域的水資源分配及城市經濟發展等提供科學參考。 [方法]基于InVEST模型從流域尺度分析秦嶺北麓2000年和2010年的水源涵養能力與空間格局異質性，并對水源涵養能力的影響因素進行分析。 [結果] (1) 2000年秦嶺北麓水源涵養總量為4.02×109m3，平均水源涵養能力為242.37 mm； 2010年水源涵養總量為4.45×109m3，平均水源涵養能力為265.33 mm。 (2) 黑河、石頭河、灞河和浐河流域為秦嶺北麓主要的水源涵養區，其高值區出現在黑河流域南部、石頭河流域南部、神沙河流域、灞河流域南部小流域。 (3) 氣候因子與水源涵養能力密切相關，土地利用/覆被通過植被面積變化影響到區域水源涵養功能的發揮，從植被類型來看，水源涵養貢獻率最高的是落葉闊葉林；從土壤屬性來看，棕壤的水源涵養貢獻率最高。 [結論] 區域的水源涵養能力受氣候、土地利用方式、植被覆蓋及土壤條件等的綜合作用而產生差異。秦嶺北麓的水源涵養能力總體表現為越靠近秦嶺主脊水源涵養能力越強。

水源涵養; InVEST模型; 土地利用/覆被變化; 生態系統服務; 秦嶺北麓

文獻參數： 范亞寧, 劉康, 陳姍姍, 等.秦嶺北麓陸地生態系統水源涵養功能的空間格局[J].水土保持通報，2017,37(2)：50-56.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.008； Fan Yaning, Liu Kang, Chen Shanshan, et al. Spatial Pattern Analysis on Water Conservative Functionality of Land Ecosystem in Northern Slope of Qinling Mountains[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(2)：50-56.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.02.008

生態系統服務功能不但對維持自然生態環境的格局、過程具有重要意義而且其生態價值關乎人類福祉正逐漸受到人們的關注。而水資源作為城市發展的基礎物質，生態系統的水源涵養能力對于城市的發展顯得尤為重要。由美國斯坦福大學、世界自然基金會(WWF)和大自然保護協會(TNC)聯合開發的生態系統服務功能綜合評估和權衡的工具——InVEST(the integrate valuation of ecosystem services and tradeoffs tool)模型在該領域得到了有效的應用。InVEST模型的水源涵養模塊是一種基于水量平衡的估算方法，根據Budyko[1]曲線和年均降雨量，假設扣除蒸散量后集水區內產生的所有水均到達出水口，忽略地表和地下水的交互作用，提出了一個簡化的匯流過程，模型柵格單元的降雨量減去實際蒸散量即為產水量，包括地表產水量、土壤含水量、冠層截留量和枯枝落葉層攔蓄量[2-4]。產水量經土壤飽和導水率、地形因子以及流速系數的修正來得到區域水源涵養量[5]。相對傳統的產水量估算方法，該模型打破了從單一生態系統進行估算的常態，從流域角度出發，很好的將下墊面差異下的空間異質性結果表達出來，實現土地利用條件下的水源涵養功能評估。國外學者將該模型曾成功應用于美國的俄勒岡州的威拉米特河流域[6]、西非國家加納和科特迪瓦[7]等地區的產水量估算。國內學者也借助該模型對生態系統的水源涵養功能評估做出許多研究。如傅斌等[8]運用該模型研究了都江堰市水源涵養功能的空間格局；白楊等[9]基于該模型評估了白洋淀流域包括水源涵養在內的諸多生態系統服務功能；余新曉等[10]用InVEST模型評估了北京山區森林的水源涵養功能；陳龍等[11]做了瀾滄江流域生態系統水源涵養功能研究等等。

秦嶺北麓陜西段是渭河及其眾多支流的重要水源補給區和發源地[12]，對關中地區社會經濟發展至關重要，是關中城市群的主要水源地。目前國內對秦嶺北麓生態系統服務功能的研究為數不多，尤其對該地區生態系統水分保持的過程與能力等水文功效的研究少之又少。本文基于InVEST模型對該地區水源涵養功能分別從流域、子流域角度進行評估，不同流域間的水源涵養能力強弱，能反映地區水資源的空間分布，有助于了解區域供水、蓄水的真實情況。而不同植被覆蓋下的水源涵養量研究，有助于秦嶺北麓水源涵養林的保育等等。總之，秦嶺北麓水源涵養功能評估可為該地區的水資源空間規劃與管理，均衡各流域的水資源分配，進一步惠及城市經濟發展等提供科學參考[13]。

1 研究區概況

秦嶺山脈是地處我國中部的東西走向的巨大山脈，主體部分位于陜西省中南部，北臨渭河，南面漢江。研究區秦嶺北麓系指秦嶺北坡陜西段，地理范圍為33°42′—34°41′N，106°42′—110°26′E。南以秦嶺主梁為界，北至渭河，東西皆以陜西省省界為限。包括西安、寶雞、渭南、咸陽、華陰、商洛6地(縣)級市的23個縣區，總面積約1.48×104km2。秦嶺北麓突出于渭河平原上，從山脊線到渭河平原寬不足40 km，峽谷深切，崖壁陡峭[14]。屬暖溫帶半濕潤半干旱季風氣候，夏熱冬冷。秦嶺北麓是渭河南岸黑河、石頭河、灞河、澇河、灃河等眾多支流的發源地。年均氣溫12 ℃，年蒸發量1 000～2 000 mm，年降水量600～800 mm，且高度增加100 m降水約增加70 mm。降水季節分布不均，夏秋兩季的降水占總降水的70%以上。植被類型常見于暖溫帶落葉闊葉林，受地形因素影響，植被分布具有明顯的垂直特征，從山麓至山頂，植被類型依次為旱作農耕植被、栓皮櫟林、銳齒櫟林、遼東櫟林、紅樺林、牛皮樺林、巴山冷杉林、太白紅杉林、杜鵑灌叢[15]。

2 研究方法與數據來源

2.1 模型算法

InVEST模型的產水量模塊具體算法為：

(1)

式中：Yxj——柵格單元x中土地覆被類型j的年產水量(mm)； AETxj——柵格單元x中土地覆被類型j的實際蒸散量(mm);Px——柵格單元x的降雨量(mm)。

(2)

式中：Rxj——Bydyko干燥指數，即潛在蒸散量與降水的比值；ωx——年所需水量與年降水量的比值。

(3)

式中：Z——Zhang系數； AWCx——柵格單元x的植物含水量(mm)，由土壤質地和土壤有效含水量決定。

(4)

AWC=min(soil_depth,root_depth)·PAWC

(5)

式中：PAWC——植物有效含水量；SAN，SIL，CLA——各類型土壤中的沙粒、粉粒、黏粒的含量值大小(%)；C——土壤有機質含量值大小(%)。

(6)

式中：Rxj——柵格單元x中土地覆被類型j的植被蒸散系數，是不同發育時期植物蒸散量與潛在蒸散量的比值。文章結合FAO Penman-Monteith法等來估算參考作物蒸散系數； ET0x——柵格單元x的潛在蒸散量(mm/d)，具體算法為：

ET0= 0.001 3×0.040 8×Ra·

(Tavg+17)×(TD-0.012 3P)0.76

(7)

式中：Ra——太陽大氣頂層輻射(MJ·m-2·d-1)；Tavg日最高溫均值和日最低溫均值的平均值(℃)；TD——日最高溫均值和日最低溫均值的差值(℃)；P——月均降水量(mm)。

(8)

式中：Retention——水源涵養量(mm)； velocity——流速系數；ksat——土壤飽和導水率(mm/d)，利用NeuroTheta軟件，根據土壤的黏粒、粉粒含量計算得到； yield——產水量(mm)； TI——地形指數，無量綱，由公式(9)計算得到；

(9)

式中：drainage_area——集水區柵格數量，無量綱； soil_depth——土壤深度(mm)； percent_slope——百分比坡度。

2.2 數據需求與來源

資料數據來源和各參數求算方法詳見表1。

表1 數據獲取來源與參數求算

3 結果分析

3.1 空間格局分析

基于InVEST模型分別評估了2000與2010年秦嶺北麓的水源涵養功能，結果如圖1所示。由圖1可以看出，2000年與2010年各流域內的水源涵養能力與水源涵養量分布趨勢大體一致，表現為各子流域的水源涵養能力從南向北依次呈遞減趨勢。黑河流域南部、石頭河流域南部、神沙河流域、灞河流域東南部水源涵養能力較大，均大于300 mm；而位于關中地區的零河流域、灃河流域北部、浐河流域北部以及灞河流域西北部水源涵養能力明顯較弱，均小于100 mm；其余地區水源涵養能力在100～300 mm之間。2000年，秦嶺北麓水源涵養總量為4.02×109m3，黑河流域、石頭河流域為主要的水源涵養區，涵養量為9.74×108m3和6.64×108m3，分別占區域水源涵養總量的24.26%和16.54%。潼河流域的水源涵養量最低，為1.51×108m3。其余各流域水源涵養量居中，分別占到區域水源涵養總量的8.85%～9.78%；2010年，秦嶺北麓水源涵養總量為4.45×109m3，黑河流域水源涵養量最大，為1.09×109m3，石頭和流域、浐河流域、灞河流域、澇河流域、神沙河流域、灃河流域和赤水河流域次之。水源涵養量較低的為羅夫河流域、零河流域，潼河流域水源涵養量最小，為1.46×108m3。

流域的產水量由徑流量和水源涵養量兩部分構成，文章基于InVEST模型首先計算了流域的產水量，而后根據土壤飽和導水率等參數對產水量進行修正得到區域的水源涵養量。選取灞河等若干典型流域，參照《陜西省水資源公報》及馬新萍[24]等的研究成果，對照流域的產水量、徑流量和水源涵養量3個水文指標，對模型模擬的水源涵養量進行驗證，顯示相對誤差控制在0.09以內，表明模型在秦嶺北麓水源涵養量的模擬中計算結果較為可靠。

圖1 秦嶺北麓2000年和2010年水源涵養能力空間分布圖

圖2展示了2000，2010年研究區水源涵養功能空間分布的變化特征。由圖2可知，2010年較2000年，秦嶺北麓各流域水源涵養能力增加量大于30 mm的是黑河流域(34.75 mm)、神沙河流域(31.38 mm)、澇河流域(36.45 mm)和赤水河流域(38.57 mm)，增加較明顯的區域出現在黑河流域東部小流域和浐河流域西南部小流域；水源涵養能力增加量在20～30 mm的是浐河流域(22.95 mm)、灞河流域(28.51 mm)、灃河流域(23.14 mm)及零河流域(25.11 mm)；水源涵養能力增加量在0～20 mm的是石頭河流域和羅夫河流域，增加量分別為18.82，2.72 mm；水源涵養能力減小的是潼河流域，減小了9.88 mm。從水源涵養總量來看，秦嶺北麓各流域大部分呈增加趨勢，小流域增加量最大的出現在澇河流域，黑河流域總量增加量最大，為1.15×108m3，其余各流域也呈不同程度的增加。而潼河流域水源涵養量呈減小趨勢，總量減小了5.00×106m3。生態系統的水源涵養能力，是區域蓄水、保水能力的量化表征。黑河流域上游、石頭河流域上游、整個神沙河流域以及灞河流域上游，植被覆蓋率高，植被垂直結構發育完整，山地棕壤、暗棕壤土層厚，植被強有力的攔蓄水能力和土壤穩定的持水能力共同決定了秦嶺北麓南部小流域較強的水源涵養能力；黑河流域北部、石頭河流域北部、澇河流域以及研究區東部的赤水河流域、羅夫河流域、潼河流域，靠近平原地區，農業活動頻繁、城鎮化程度較高，易產生地表徑流，水源涵養能力較弱；而位于關中城市群的浐河流域下游、灃河流域下游、灞河流域下游西北部及零河流域西部，城市區受人類活動干擾強烈，自然植被保持面積小，下墊面異質性顯著，水源涵養能力明顯較弱。

3.2 影響因素分析

水源涵養是生態系統重要的服務功能之一。陸地生態系統的水源涵養功能在空間尺度上，能夠實現地表徑流、土壤持水以及地下徑流的相互轉換，從而起到調節區域水分循環的作用；在時間尺度上，在枯水期補充河流水量，洪水期減緩地表徑流量，可以有效的防止河流、湖泊、水庫的淤塞，保護可飲用水源[25-26]。而區域的水源涵養功能受區域氣候因子及人類活動的影響(土地利用方式、植被覆蓋)而有差異。主要影響因素可歸為3類。

3.2.1 氣候因子的影響 氣候因子對區域水源涵養能力的影響主要用降雨量和蒸散量來表征。圖3展示了研究區2000，2010年的主要氣候因子的分布情況，包括降雨量和實際蒸散量。由圖3可知，研究區2000和2010年，年降水量的空間分布與水源涵養能力的空間分布趨勢一致，山區年降雨量較城市區大，水源涵養能力也較高。實際蒸散量指地物實際被蒸發的水分量，是維持區域水分循環的重要因子，秦嶺北麓南部山區海拔高，以自然植被為主，盡管蒸散量較大，但降水量高，加之植被與土壤的綜合作用，使得山區森林生態系統的水源涵養能力遠大于北部平原城市生態系統。模型所選用的氣象因子數據皆為多年平均值，從兩個不同年份的結果對比來看，2010年較2000年，各地區年均降雨量有增有減，其中位于研究區東北部的潼河流域、羅夫河流域降雨量減少趨勢最為明顯，與該地區水源涵養能力的相對減弱趨勢相一致。此外，2010年較2000年研究區實際蒸散量整體呈不明顯減弱趨勢，與水源涵養能力增強的趨勢相對應。

圖2 秦嶺北麓2010年較2000年水源涵養功能變化量

圖3 秦嶺北麓2000年和2010年主要氣候因子變化

3.2.2 土地利用方式的影響 以2010年模型各參數和圖層為基礎，將2010年的土地利用圖改為2000年的圖件，得到基于2000年土地利用覆被下的水源涵養能力值，2000和2010年各地類的水源涵養能力詳見表2。由表2可以看出，2010年較2000年，秦嶺北麓各類用地水源涵養能力除城鎮用地和濕地呈減少趨勢外，其余各地類均呈增加趨勢。10 a間研究區各地類面積變化最大的是農田和城鎮用地，其中，農田面積減少300.69 km2，而城鎮用地面積增加265.59 km2，增加的城鎮用地中，約97%由農田轉入，城市擴張使區域下墊面透水性降低，10 a間關中城市群所處區域的水源涵養能力相應的減弱，此外，農田和城鎮建設用地之間的相互轉換引發的水源涵養量的變化，也與城市內部植被覆蓋、城市集水和截留等城市水循環系統有關；2010年濕地面積較2000年減少，因此濕地水源涵養能力呈減弱趨勢；而裸地及其余各地類的水源涵養能力均呈增加趨勢，主要是由十年間裸地面積減少，而森林、灌叢、草地覆蓋度增加所致。

表2 秦嶺北麓2000和2010年各地類水源涵養能力比較

3.2.3 植被和土壤因素的影響 植被和土壤是區域水源涵養功能發揮的重要因子。前者通過林冠截留和枯枝落葉攔蓄來起到水源涵養的作用，后者通過土壤的孔隙結構特性，與植物根系、土壤生物共同實現水分的蓄積和再分配。秦嶺北麓，是天然林的主要分布區，2010年森林面積共計5 825.92 km2，占總用地面積的39.25%，灌叢2 045.37 km2，占13.78%，草地481.59 km2，占3.24%。森林水源涵養能力為430.13 mm，灌叢為394.13 mm，草地為172.77 mm。圖4為研究區不同植被類型下的水源涵養能力比較，從圖中可以看出稀疏灌木林、落葉闊葉林、稀疏林、落葉闊葉灌木林及針闊混交林的水源涵養能力最占優勢。就水源涵養量而言，落葉闊葉林的水源涵養貢獻率最高，占總涵養量的53.27%；其次為落葉闊葉灌木林，占20.42%。

注： 1落葉闊葉林； 2落葉闊葉灌木林； 3旱地； 4針闊混交林；5草叢； 6稀疏林； 7喬木園地； 8常綠針葉林； 9灌木綠地；10稀疏灌木林； 11草本綠地； 12灌木園地； 13稀疏草地；14水田； 15草本沼澤； 16落葉針葉林。

圖4 不同植被類型下的水源涵養能力比較

秦嶺北麓從渭河谷地到主脊線，分布的土壤類型共有亞類55類，土類14類，各類土壤的水源涵養能力平均值為295.33 mm，暗棕壤的水源涵養能力最強為511.14 mm，沼澤土的水源涵養能力最差為101.11 mm。秦嶺北麓分布面積較廣的土壤類型主要有褐土、棕壤、粗骨土、黃綿土、新積土，其中褐土的分布面積最大，為4 521.53 km2，占研究區總面積的30.51%，且主要分布在研究區北部海拔在1 300 m以下的低山丘陵；其次為棕壤4 301.44 km2，占29.03%，主要分布在海拔1 300～2 200 m的山地上，是暖溫帶落葉闊葉林或針闊混交林下形成的森林土壤。此外，粗骨土1 634.10 km2，占11.03%，黃綿土1 609.22 km2，占10.86%，新積土1 072.64 km2，占7.24%。表3為研究區5類主要土壤覆蓋下的水源涵養能力比較，5種主要土壤類型的水源涵養能力從高到低依次是粗骨土、棕壤、褐土、黃綿土和新積土。5類主要土壤的水源涵養量占總涵養量的90.23%，其中，棕壤的水源涵養貢獻率最大，為37.67%；其次為褐土和粗骨土，分別為36.37%和18.80%；黃綿土和新積土的貢獻率較低。

表3 秦嶺北麓5類主要土壤水源涵養能力比較

4 討論與結論

(1) 2000年秦嶺北麓水源涵養總量共計4.02×109m3，區域平均涵養能力242.37 mm；2010年秦嶺北麓水源涵養總量共計為4.45×109m3，區域平均涵養能力265.33 mm，2010年較2000年，水源涵養量增加4.34×108m3。秦嶺北麓水源涵養能力表現為越靠近秦嶺主脊水源涵養能力越強。水源涵養能力的高值區集中在黑河南部、石頭河南部、灞河和浐河流域上游小流域。

(2) 區域的水源涵養能力受氣候、土地利用方式、植被覆蓋及土壤條件等因子的影響而產生差異。研究區西南部和東南部均為秦嶺山區，山區森林生態系統年均降雨量大，植被覆蓋率高，水源涵養能力強；北部平原城市生態系統，降水量較少，下墊面不透水層分布廣泛，產水量多以徑流形式流失，涵養能力較弱。其次，研究區10 a間的土地利用變化主要通過植被覆蓋來影響水源涵養能力，從不同植被類型比較來看，落葉闊葉林的水源涵養貢獻率最高。再者，秦嶺北麓從渭河谷地到主脊線，土壤類型有明顯差異，南部山區廣闊分布的棕壤、暗棕壤占研究區總面積的31.5%，棕壤、暗棕壤土層厚，水土保育能力強，水源涵養貢獻率相對較高。

(3) 近年來，隨著“海綿城市”概念的提出，城市的發展要求城市必須在適應環境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈化，雨后及時將蓄存的水釋放并加以利用。對秦嶺北麓而言，關中城市群區域水源涵養能力明顯較其他區域小，城市發展對下墊面原始結構的人工改造，使得城市區產流量大，徑流量也大，城市雨洪排水負荷與內澇風險也隨之加劇。因此，關中城市區的發展應合理配置土地利用與覆被的方式方法，通過減少對林地、農田的侵占、增加城市綠化、減少不透水層面積等生態手段來調節城市水循環系統，減少對渭河的沖擊。同時，從小流域入手對區域水資源進行調控，平衡城市的水源供給和用水需求。總之，城市的擴展應將水源涵養等水文因素考慮在內，對水資源進行合理的規劃和管理，確定合適的城市規模和發展速度。

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Spatial Pattern Analysis on Water Conservative Functionality of Land Ecosystem in Northern Slope of Qinling Mountains

FAN Yaning, LIU Kang, CHEN Shanshan, YUAN Jiagen

(CollegeofUrbanandEnvironmentalScience,NorthwestUniversity,Xi’an，Shaanxi710127,China)

[Objective] Analysis on spatial pattern of water conservative functionality of land ecosystem in the northern slope of Qinling Mountains to provide scientific reference for water resources planning and management, and balancing water resources allocation and urban economic development. [Methods] This paper analyzed the water conservation ability and the spatial heterogeneous pattern of the northern slope of Qinling Mountain at watershed scale in 2000 and 2010. Based on InVEST model, the influence factors of water conservation capacity were analyzed. [Results] (1) In 2000, the amount of water conservation in the northern slope of Qinling Mountains was 4.02×109m3， superficial 242.37 mm in an average. In 2010, the amount of water conservation in the northern slope of Qinling Mountain was 4.45×109m3， superficial 265.33 mm in an average. (2) The main water retention area in the northern slope of Qinling Mountain are Heihe River， Shitou River， Chanhe River and Bahe River basin. Their high value areas of water retention function located at some sub-watersheds, correspondingly as the souths of Heihe River, Shitou River, Shensha River and Bahe River. (3) Climate factor was found closely related to the ability of water conservation. Through the effect of vegetation change, land use/cover affected the regional water conservation function. For vegetation types， deciduous broad-leaved forest contributed the most proportion; for soil properties, brown soil had the highest contribution rate. [Conclusion] Water conservation capacity varied differently with regions by its comprehensive factors, such as climates, the way of land use, vegetation cover and soil conditions. In a word, the closer to the main ridge of Qinling Mountains, the stronger ability of water conservation in the northern slop of Qinling Mountains.

water conservation function; InVEST Modle; LUCC; ecology system services; northern slope of Qinling Mountains

2016-09-19

2016-10-18

環保部“全國生態環境十年變化(2000—2010年)遙感調查與評估項目：陜西專題”(STSN-05-26)； 國家林業公益性行業科研專項(201304309)

范亞寧(1992—),女(漢族),甘肅省慶陽市人,碩士研究生,研究方向為生態評價與生態規劃。E-mail:yaning017@163.com。

劉康(1963—),男(漢族)，陜西省咸陽市人，碩士，教授,博士生導師,主要從事區域生態評價與規劃，植被地理，景觀生態學等研究。E-mail:liuk63@126.com。

A

1000-288X(2017)02-0050-07

TV312.9， K903